凸集的定义:
对集合 SSS 任意两点 x1x_1x1, x2x_2x2,以及两个实数 θ1\theta_1θ1, θ2\theta_2θ2,并且 θ1+θ2=1\theta_1+\theta_2=1θ1+θ2=1, θ1≥0\theta_1\geq 0θ1≥0, θ2≥0\theta_2\geq 0θ2≥0,都有
θ1x1+θ2x2∈S\theta_1 x_1+\theta_2x_2\in Sθ1x1+θ2x2∈S
则 SSS 是凸集。
问题:
集合 SSS 是凸集,这鞥名其中任意 kkk 个点 x1…xkx_1\dots x_kx1…xk,以及 kkk 个实数 θ1…θk\theta_1\dots \theta_kθ1…θk,并且 θ1+⋯+θk=1\theta_1+\dots+\theta_k=1θ1+⋯+θk=1, θ1≥0,…,θk≥0\theta_1\geq 0,\dots ,\theta_k\geq 0θ1≥0,…,θk≥0,都有
θ1x1+θ2x2+⋯+θkxk∈S\theta_1 x_1+\theta_2x_2+\dots+\theta_kx_k\in Sθ1x1+θ2x2+⋯+θkxk∈S
证明:
数学归纳法。对于 k=2k=2k=2 时,显然成立。
假设对于 k=nk=nk=n 时成立,下面我们证明 k=n+1k=n+1k=n+1 时也成立。
θ1x1+θ2x2+⋯+θk+1xk+1=θ1x1+(1−θ1)(θ21−θ1x2+⋯+xk+11−θ1xk+1)
\begin{aligned}
&\theta_1 x_1+\theta_2x_2+\dots+\theta_{k+1}x_{k+1}\\
=&\theta_1 x_1+(1-\theta_1)\left(\frac{\theta_2}{1-\theta_1 }x_2+\dots+\frac{x_{k+1}}{1-\theta_1}x_{k+1} \right)
\end{aligned}
=θ1x1+θ2x2+⋯+θk+1xk+1θ1x1+(1−θ1)(1−θ1θ2x2+⋯+1−θ1xk+1xk+1)
因为 θ21−θ1+⋯+θk+11−θ1=1−θ11−θ1=1\frac{\theta_2}{1-\theta_1 }+\dots+\frac{\theta_{k+1}}{1-\theta_1 }=\frac{1-\theta_1}{1-\theta_1}=11−θ1θ2+⋯+1−θ1θk+1=1−θ11−θ1=1,根据 k=nk=nk=n 时成立,上式第二项在凸集 SSS 中,第一项与第二项的和相当于 k=2k=2k=2 的情况,故也在凸集 SSS 中。□\quad\Box□